4. Analiza vezij. Analiza vezij(4).docj 4. Vsebina poglavja: metoda Kirchoffovih zakonov, metoda zančnih tokov, metoda spojiščnih potencialov.

Σχετικά έγγραφα
Diferencialna enačba, v kateri nastopata neznana funkcija in njen odvod v prvi potenci

Izmenični signali metode reševanja vezij (21)

Tretja vaja iz matematike 1

OSNOVE ELEKTROTEHNIKE I

Zaporedja. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 22. oktober Gregor Dolinar Matematika 1

1. Enosmerna vezja. = 0, kar zaključena

matrike A = [a ij ] m,n αa 11 αa 12 αa 1n αa 21 αa 22 αa 2n αa m1 αa m2 αa mn se števanje po komponentah (matriki morata biti enakih dimenzij):

Funkcijske vrste. Matematika 2. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 2. april Gregor Dolinar Matematika 2

Odvod. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 5. december Gregor Dolinar Matematika 1

Iterativno reševanje sistemov linearnih enačb. Numerične metode, sistemi linearnih enačb. Numerične metode FE, 2. december 2013

Delovna točka in napajalna vezja bipolarnih tranzistorjev

Elektrotehnika in elektronika

V tem poglavju bomo vpeljali pojem determinante matrike, spoznali bomo njene lastnosti in nekaj metod za računanje determinant.

Reševanje sistema linearnih

, kjer je t čas opravljanja dela.

Numerično reševanje. diferencialnih enačb II

Funkcije. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 21. november Gregor Dolinar Matematika 1

Odvod. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 10. december Gregor Dolinar Matematika 1

Podobnost matrik. Matematika II (FKKT Kemijsko inženirstvo) Diagonalizacija matrik

1. Trikotniki hitrosti

Funkcije. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 14. november Gregor Dolinar Matematika 1

Transformator. Delovanje transformatorja I. Delovanje transformatorja II

KODE ZA ODKRIVANJE IN ODPRAVLJANJE NAPAK

Kotne in krožne funkcije

PONOVITEV SNOVI ZA 4. TEST

Booleova algebra. Izjave in Booleove spremenljivke

Analiza 2 Rešitve 14. sklopa nalog

Osnove elektrotehnike uvod

Enačba, v kateri poleg neznane funkcije neodvisnih spremenljivk ter konstant nastopajo tudi njeni odvodi, se imenuje diferencialna enačba.

*M * Osnovna in višja raven MATEMATIKA NAVODILA ZA OCENJEVANJE. Sobota, 4. junij 2011 SPOMLADANSKI IZPITNI ROK. Državni izpitni center

Zaporedja. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 15. oktober Gregor Dolinar Matematika 1

13. Jacobijeva metoda za računanje singularnega razcepa

OSNOVE ELEKTROTEHNIKE I

Matematika 2. Diferencialne enačbe drugega reda

MATEMATIČNI IZRAZI V MAFIRA WIKIJU

SKUPNE PORAZDELITVE VEČ SLUČAJNIH SPREMENLJIVK

3.1 Reševanje nelinearnih sistemov

Tema 1 Osnove navadnih diferencialnih enačb (NDE)

3. AMPEROV ZAKON. SLIKA: Zanka v magnetnem polju. Integral komponente magnetnega polja v smeri zanke je sorazmeren toku, ki ga zanka oklepa.

IZPIT IZ ANALIZE II Maribor,

PROCESIRANJE SIGNALOV

Moč s kompleksnim računom (19)

primer reševanja volumskega mehanskega problema z MKE

Integralni račun. Nedoločeni integral in integracijske metrode. 1. Izračunaj naslednje nedoločene integrale: (a) dx. (b) x 3 +3+x 2 dx, (c) (d)

NEPARAMETRIČNI TESTI. pregledovanje tabel hi-kvadrat test. as. dr. Nino RODE

Vaje: Električni tokovi

Na pregledni skici napišite/označite ustrezne točke in paraboli. A) 12 B) 8 C) 4 D) 4 E) 8 F) 12

Matematika 1. Gregor Dolinar. 2. januar Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. Gregor Dolinar Matematika 1

DISKRETNA FOURIERJEVA TRANSFORMACIJA

Kontrolne karte uporabljamo za sprotno spremljanje kakovosti izdelka, ki ga izdelujemo v proizvodnem procesu.

8. Posplošeni problem lastnih vrednosti

Osnove linearne algebre

11.5 Metoda karakteristik za hiperbolične PDE

Uporabna matematika za naravoslovce

Tadeja Kraner Šumenjak MATEMATIKA. Maribor, 2010

8. Diskretni LTI sistemi

diferencialne enačbe - nadaljevanje

Kvadratne forme. Poglavje XI. 1 Definicija in osnovne lastnosti

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO MATEMATIKA II

Fazni diagram binarne tekočine

Afina in projektivna geometrija

MATEMATIKA II TEORIJA

UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA SANDRA BOLTA LASTNE VREDNOSTI GRAFA DIPLOMSKO DELO

ZBIRKA REŠENIH NALOG IZ MATEMATIKE II

1. Definicijsko območje, zaloga vrednosti. 2. Naraščanje in padanje, ekstremi. 3. Ukrivljenost. 4. Trend na robu definicijskega območja

p 1 ENTROPIJSKI ZAKON

Moč s kompleksnim računom. ( cos( ϕ) sin( ϕ) { } { } S = U I, (19.3) Izmenični signali, kompleksna moč 19.

IZVODI ZADACI (I deo)

Naloge iz vaj: Sistem togih teles C 2 C 1 F A 1 B 1. Slika 1: Sile na levi in desni lok.

NAVOR NA (TOKO)VODNIK V MAGNETNEM POLJU

Funkcije. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 12. november Gregor Dolinar Matematika 1

IZVODI ZADACI ( IV deo) Rešenje: Najpre ćemo logaritmovati ovu jednakost sa ln ( to beše prirodni logaritam za osnovu e) a zatim ćemo

Odvode odvisnih spremenljivk po neodvisni spremenljivki bomo označevali s piko: Sistem navadnih diferencialnih enačb prvega reda ima obliko:

REˇSITVE. Naloga a. b. c. d Skupaj. FAKULTETA ZA MATEMATIKO IN FIZIKO Oddelek za matematiko Verjetnost 2. kolokvij 23.

vezani ekstremi funkcij

INŽENIRSKA MATEMATIKA I

Najprej zapišemo 2. Newtonov zakon za cel sistem v vektorski obliki:

Funkcije več spremenljivk

Matrike. Poglavje II. Matrika je pravokotna tabela realnih števil. Na primer: , , , 0 1

Kvantni delec na potencialnem skoku

1. Έντυπα αιτήσεων αποζημίωσης Αξίωση αποζημίωσης Έντυπο Πίνακας μεταφράσεων των όρων του εντύπου...

INDUCIRANA NAPETOST (11)

Kombinatorika. rekurzivnih enačb in rodovne funkcije. FMF Matematika Finančna matematika. Vladimir Batagelj. Ljubljana, april

Analiza nadomestnega vezja transformatorja s programskim paketom SPICE OPUS

) produkta toka z vektorjem diferen razdalje v smeri. d - Sila je pravokotna na tokovni element in mag.polje

Poglavje 7. Poglavje 7. Poglavje 7. Regulacijski sistemi. Regulacijski sistemi. Slika 7. 1: Normirana blokovna shema regulacije EM

Elementi spektralne teorije matrica

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Matematika 4 Pisni izpit 22. junij Navodila

Reševanje sistemov linearnih enačb

Frekvenčna analiza neperiodičnih signalov. Analiza signalov prof. France Mihelič

2. BIOT-SAVARTOV ZAKON

Poglavje 2. Sistemi linearnih enačb

MATEMATIKA 1 UNIVERZITETNI ŠTUDIJSKI PROGRAM BIOKEMIJA 1. LETNIK

VEKTORJI. Operacije z vektorji

Matematika. Funkcije in enačbe

1 Fibonaccijeva stevila

Linearne preslikave. Poglavje VII. 1 Definicija linearne preslikave in osnovne lastnosti

MAGNETNI PRETOK FLUKS

5.1 Predpogojevanje. K 1 Ax = K 1 b,

Transformator. Izmenični signali, transformator 22.

Transcript:

4. Analiza vezij Vsebina polavja: metoda Kirchoffovih zakonov, metoda zančnih tokov, metoda spojiščnih potencialov. Spoznali smo že oba Kirchoffova zakona in zvezo med tokom in napetostjo na uporu. Zaradi pomembnosti velja ponoviti:. KZ:. KZ: N Ii v spojišču i= M Ui v zanki i= Ohmov zakon: U = RI (povezuje U in I) Leonardo da Vinci, 94: analiza čoveškea torza Galerria del Academia, Beneteke S pomočjo teh zvez lahko analiziramo (določimo tok in napetost na poljubnem elementu vezja) poljubno vezje. Le zapisati moramo ustrezno število enačb in rešiti sistem enačb. Spoznali pa bomo tudi metode, ki nam omoočajo analizo vezij z manjšim številom enačb. Najbolj tipične metode reševanja (analize) vezij so: ) Metoda Kirchoffovih zakonov ) Metoda zančnih tokov 3) Metoda spojiščnih potencialov. Metoda Kirchoffovih zakonov (metoda vejnih tokov) Je najosnovnejša metoda, ki se (kot že ime pove) poslužuje uporabe Kirchoffovih zakonov. Način reševanja bomo prikazali na konkretnem primeru. Najprej moramo označiti smeri tokov v vsaki veji. Ta označitev je lahko poljubna, potrebno pa se je zavedati (kot smo že omenili!), da smer toka (skozi upor) določa tudi smer napetosti. Za lažjo analizo bomo označili tudi spojišča vezja ter tri zanke. Toka v veji s tokovnim virom nismo posebej označili, saj ta tok lahko enačimo kar s tokom tokovnea eneratorja. Zapišemo lahko štiri enačbe z uporabo KZ: spojišče (0): I4 I3 I5 spojišče (): I + I + I4 spojišče (): I + I + I3 spojišče (3): I I + I5 In dve enačbi po KZ: zanka (J ): U + IR + I3R3 I4R4 zanka (J ): 3 3 5 5 0 I R I R I R + + = Za zanko J 3 ne zapišemo enačbe saj ni potrebna. Zančni tok J 3 je znan in kar enak (vsiljenem) toku tokovnea eneratorja. /8

Polejmo število neznank in število enačb, ki smo jih zapisali. Število neznank je enako številu neznanih vejskih tokov, torej 5. Število enačb, ki smo jih zapisali pa je 6. Ena od enačb je torej odveč, je redundančna. Izkaže se, da je odveč ena od enačb po KZ. Izločimo lahko torej poljubno spojiščno enačbo *. I () I J 3 R R () I (3) U + J I 5 R 3 J R 5 R 4 I 3 I 4 (0 V) SLIKA: Primer vezja: U V, I = A, R Ω, R = 5 Ω, R 3 Ω, R 4 = Ω, R 5 = 40 Ω. Teorija rafov (na kratko) Reševanje takea sistema enačb zahteva sistematičen pristop. Pomaamo si lahko s teorijo rafov, kjer najprej narišemo raf vezja, nato drevo vezja in vrišemo dopolnilne veje (kite). Graf vezja narišemo kot vezje, v katerem ostanejo le veje vezja. Drevo vezja sestavimo iz vej vezja, s katerimi moramo doseči vsa spojišča vezja, pri tem pa ne smemo zaključiti nobene zanke. Veje, ki jih nismo uporabili za tvorjenje drevesa, so dopolnilne veje in jih dorišemo s črtkanimi črtami. SLIKA: Graf vezja, drevo vezja in dopolnilne veje kite. Število enačb, ki jih moramo zapisati po KZ je torej enako N, kjer je N število spojišč, število enačb po KZ pa je enako številu dopolnilnih vej. V našem primeru bomo potrebovali 4- = 3 spojiščne enačbe in zančni enačbi. * Seštejte spojiščne enačbe (), () in (3) ter množite z -. Dobili boste spojiščno enačbo (0). Vezje, ki a obravnavamo je nekoliko specifično, ker v eni veji vsebuje idealni tokovni vir. V smislu analize vezij (teorije rafov) take veje ne moremo smatrati kot dopolnilne veje. Za te je značilno, da vsebujejo elemente s končno notranjo upornostjo. /8

Zapis in reševanje sistema enačb Sistem enačb rešimo tako, da a zapišemo v matrični obliki. Upoštevali bomo spojiščne enačbe od () do (3)). Npr prvo spojiščno enačbo () zapišemo v obliki I + 0 I + 0 I + I + 0 I = I, 3 4 5 druo v obliki I + I + I3 + 0 I4 + 0 I5 itd. Koeficiente prepišemo v matriko in dobimo 0 0 0 I I 0 0 I 0 0 0 0 I 3 = I R 0 R3 R4 0 I4 U 0 R R3 0 R 5 I 5 0 Potrebno je le še vstaviti vrednosti in rešiti sistem enačb zapisan v matrični obliki A x = b (včasih zapišemo tudi kot Ax = b ), kjer je A matrika velikosti 5x5, x vektor neznank (tokovi I do I 5 ) in b vektor sestavljen iz vrednosti na desni strani matričnea zapisa. Sistem enačb poosto rešimo z uporabo računalniških proramov. Sistem enačb rešimo s proramom Matlab. Tvoriti moramo matriko A in vektor b ter rešiti sistem enačb tipa Ax=b. Rešitev dobimo z Matlabovim ukazom x=a\b. >> A=[,0,0,,0;-,,,0,0;0,-,0,0,;0,0,0,-,0;0,5,-0,0,40] A = 0 0 0-0 0 0-0 0 0 0 0-0 0 5-0 0 40 >>b = [ - ; 0 ; ;0 ;0]; >> x=a\b x = -0.43 -.4953.70 -.7757 0.5047 S pomočjo Matlaba izračunani vejski toki so I = 0,43 A, I =, 4953 A itd.. Metoda zančnih tokov Metoda zančnih tokov temelji na uporabi KZ, kjer namesto vejskih tokov uporabimo zančne toke. Slednje tvorimo iz vejskih tako, da je ta v veji, ki ni skupna drui (sosednji) zanki kar enak vejskemu toku, sicer pa je enak vsoti ali razliki vejskih tokov, odvisno od označitve smeri zančnih tokov. Potrebno število enačb je enako številu dopolnilnih vej. Za analizirano vezje veljajo sledeče zveze med zančnimi in vejskimi toki: 3/8

J J J = I 4 = I 5 = I 3 in I = J J 3 I = J J 3 Če vejske toke izražene z zančnimi vstavimo v napetostni enačbi po K.Z., dobimo sistem zančnih enačb. Običajno je lažje napisati enačbe tako, da sproti upoštevamo padce napetosti v zanki: zanka (J ): U + ( J J3) R + ( J J ) R3 JR4 zanka (J ): ( J J) R3 + ( J J3) R + JR5 zanka (J 3 ): J3 = I Dobimo sistem treh enačb za tri neznane toke. V osnovi le sistem dveh, saj je tretja že določena: J3 = I = A. Obstaja še dru pristop k tvorjenju sistema enačb, ki seveda privede do ekvivalentnea zapisa enačb. Pri tem pristopu najprej upoštevamo tok zanke in vse padce napetosti v zanki, ki jih ta tok povzroča. Nato ustrezno prištejemo ali odštejemo še prispevke ostalih zančnih tokov. Primer: J( R + R3 + R4 ) J3R JR3 U J ( R + R + R ) J R J R 3 5 3 3 Reševanje sistema dveh enačb Vstavimo vrednosti v zornjo enačbo in zapišemo enačbi v matematični obliki (brez enot): J 3 0 J 0 0 J55 J0 5 Enačbi z dvema neznankama lahko preprosto rešimo tako, da iz ene enačbe izrazimo eno od spremenljivk in jo vstavimo v druo enačbo. Npr iz. enačbe izrazimo J in dobimo J = 0,(J 3-50). To vstavimo v druo enačbo in dobimo 0,(J 3-50)55-J 0 in iz nje izračunamo J =, 7757 A in z vstavitvijo te vrednosti v eno od enačb še J,5047A.Uotovimo lahko, da je dobljeni tok J skladen z rešitvijo, ki smo jo dobili po sistemu reševanja Kirchoffovih enačb: J = -I 4. Matlab: Reševanje s pomočjo prorama Matlab je silno preprosto. Tvorimo matriko A in vektor b ter rešitev kot x=a\b'. Drua možnost je x=inv(a)*b. Tokrat smo nekoliko druače zapisali vektor b (kot vrstični vektor) kot v prejšnjem primeru. Zato a je potrebno spremeniti (transponirati) z dodatkom '. A=[3, -0; -0,55] b=[50,0] x=a\b >> x =.7757 0.5047 4/8

3. Metoda spojiščnih potencialov Metoda temelji na uporabi. KZ, po katerem zapišemo vsoto tokov v spojišče, ki mora biti enaka nič. Toke izrazimo s potenciali spojišč, razen, če je tok v veji znan, npr. tokovni enerator. Označimo vsa spojišča in jim pripišemo neznane potenciale. Potencial enea spojišča lahko prosto izberemo. Ponavadi mu priredimo vrednost 0 V (a ozemljimo). Če se v veji nahaja upor, izrazimo tok v veji s padcem napetosti na uporu ( I = U / R ), napetost na uporu pa z razliko potencialov spojišč. V primeru, da se v veji nahaja tudi napetostni enerator, je potrebno vrednost napetosti eneratorja ustrezno upoštevati (odšteti ali prišteti razliki potencialov). Število potrebnih enačb je enako N, kjer je N število spojišč. V primeru ki a obravnavamo je to 4 =3. Reševanje konkretnea primera: V smislu sistematičnea pristopa bomo predpostavili, da vsi toki izhajajo iz spojišča (čeprav smo jih oriinalno označili druače). Spojišče (): Tok v tej veji določimo iz padca napetosti na uporu R 4. Napetost na tem uporu pa je razlika potencialov spojišč () in (0). Ker smo spojišče (0) ozemljili, potencial spojišča () pa je V, je tudi napetost med spojiščema enaka V. Napetost na uporu R 4 je manjša od V za padec napetosti na napetostnem viru, torej je enaka V U, tok skozi upor R 4 pa je V U R 4. Na podoben način določimo ostale toke. Za spojišče () dobimo V U V V + + I, R4 R za spojišče () V V V V V3 + + R R3 R in za spojišče (3) V3 V V3 I + +. R R 5 Dobimo sistem treh enačb za tri neznane potenciale. Vstavimo vrednosti in rešimo sistem enačb: V 0 V V + + 0 V V V V V3 + + 0 0 5 V3 V V3 + + 5 40 oziroma V + V = 0 0 V + V + + V3 0 0 0 5 5 V + 3 5 V + = 5 40 5/8

Potenciali spojišč izračunani s pomočjo Matlaba so: V = 8,43 V, V =,7 V in V 3 = 0,869 V. Vejske toke določimo iz že zapisanih zvez, pri čemer pa je sedaj potrebno upoštevati predhodno izbrano smer tokov. Tako je na primer tok I enak V V = (8, 4,7) V / 0Ω = 0, 43A. R (Opozorilo: Zaradi prelednosti pisanja enačb namenoma pri vstavljanju številskih vrednosti v enačbe nismo pisali tudi enot. Enačbe smo torej spremenili v matematično obliko. Ko določimo rešitev, pripišemo ustrezne enote). Reševanje sistema enačb s pomočjo Kramerjevea pravila En od načinov reševanja sistema enačb je z uporabo t.i. Kramerjevea pravila *. Pri tem det( A ) moramo izračunati determinante matrik. Rešitev za potencial V je na primer V =, det( A) kjer je determinanta matrike A,05 0,05 0 det( A), 05 0,35 0, =, 05(0,35.0, 5 ( 0, )( 0, )) ( 0, 05)(0, 05.( 0, 5) ( 0, ).0 + 0 0, 0, 5 + 0.(0,05.( 0,) (0,35).0)) det( A ), 040. Determinanto det(a ) pa dobimo tako, da prvi stolpec matrike A nadomestimo z vektorjem b): 8 0, 05 0 det( A ) 0, 35 0,, 330 % Uporaba Matlaba >> A=[+/0,-/0,0;-/0,/0+/0+/5,-/5;0,-/5,/5+/40] A =.0500-0.0500 0-0.0500 0.3500-0.000 0-0.000 0.50 >> b=[-+0;0;] b = 8 0 >>V= A\b ans = 8.43.703 0.869 0, 0,5 det( A ) Dobimo: V = = 8,V. det( A) * Gabriel Cramer (704-75): http://en.wikipedia.or/wiki/cramer's_rule 6/8

* Analiza vezij s proramskim orodjem Pri bolj kompleksnih vezjih, še posebno, ko analiziramo vezja z dodanimi nelinearnimi elementi, se lahko poslužimo analize vezij s proramskimi paketi. En najbolj znanih je zasnovan na Spice simulacijah *. Na spletu je mooče dobiti vrsto proramov, ki temeljijo na Spice simulaciji. Polejmo si primer uporabe prorama 5Spice, ki omooča tudi uporabo rafičnea vmesnika. Ta je še posebno primeren za popolne začetnike, saj ni potrebno poznati sintakse zapisov, pač pa le nekaj osnovnih pravil. Eno od teh je npr, da je potrebno eno od spojišč ozemljiti. Vsa računalniška orodja, ki temeljijo na Spice simulacijah, temeljijo na enakem načinu zapisovanja (sintakse) povezav med elementi. Spice sintaksa obravnavanea vezja: U 0 DC 0.0V ; V povezuje spojišči in 0, kjer smo spojišče 0 dodali med U in R4 I 3 ; I je med spojiščema in 3, nejova vrednost je R 0 R 3 5 R3 0 0 R4 0 0 R5 3 0 40.DC U 0 0 ; naredi sken U-ja od 0 do 0 V po V in omooci.print ukaz.print DC I(R) I(R) ; izpiše toke na uporih R in R.END SLIKA: Primer simulacije vezja s proramom 5Spice, www.5spice.com. (pomembno pri delu s proramom je to, da mora biti eno od spojišč vedno ozemljeno) * SPICE je sicer delo univerzitetnea laboratorija (Electronics Research Laboratory, University of California, Berkeley, ZDA), a pa pod tem imenom poznamo tudi v profesionalnih orodjih (npr. HSPICE in PSPICE). Več: http://en.wikipedia.or/wiki/spice 7/8

Za doma:. Odovorite na vprašanja za obnovo. Rešite TEST4.htm 3. Rešite kakšno od kolokvijskih ali izpitnih nalo Vprašanja za obnovo: ) Zapišite in razložite Kirchoffova zakona. (lej tekst) ) Kolikšno število enačb moramo zapisati za analizo vezja po metodi Kirchoffovih zakonov? 3) Kaj je to raf vezja, drevo in dopolnilne veje? Prikaži na primeru. 4) Kako zapišemo enačbe z uporabo metode zančnih tokov? Kolikšno je število potrebnih enačb za analizo vezja? 5) Kaj je to determinanta in poddeterminanta sistema, kako zapišemo sistem enačb v matrični obliki? 6) Na čem temelji metoda spojiščnih potencialov? Kako jo uporabimo? Kolikšno je potrebno število enačb po tej metodi? Primeri kolokvijskih in izpitnih nalo izpit, 0. septembra 00 (naloa 5) izpit, 3. januar 003 (naloa 5) kolokvij, 6..003 (naloa 3) izpit, 9. 0. 00 (naloi 3, 5) kolokvij,.. 004 (naloa ) Za raziskovalce: Poiščite način izračunavanja determinant s proramom Matlab ali FreeMat in rešite sistem za potencial V. Iz spleta si naložite proram 5spice in se z njim malo poirajte (a uporabite za analizo vezij). 8/8